Диссертация (1151496), страница 5
Текст из файла (страница 5)
БРпленки, полученные во всех указанных работах [81, 85, 97], генерировализначительные фотопотенциалы при периодическом фотооблучении практическибез изменений в течение длительного времени (эксперименты регулярнопроводились в течение 2 лет). Особенностью работы [10] явилось созданиемультислойной структуры из двух БР-пленок, разделенных оптическимиволноводами. Эта структура имела высокий коэффициент фотоиндуцируемогопревращения белка из исходной формы БР 570 в форму М 412 (в интервале 0.5-0.7),который уменьшался до 0.2 в течение 2-5 часов.
Использование различныхбифункциональных молекул как сшивающих агентов для БР-пленок позволялостабилизировать определенные формы интермедиатов БР. Например, образец ссоотношением БР:глутаровый альдегид, равным 1:5, сохранял указанныйкоэффициент выше 0.45 в течение 120 дней, другие бифункциональные молекулыиаминокислотыоказалисьнестольэффективныдляподдержаниятехнологических параметров БР-пленок [10].Достижением [94] явилась разработка технологически простых и дешевыхметодик получения фотохромных материалов (ФХМ) при иммобилизации БР илиПМвразличныхполимерныхматрицах(желатин,полиакриламид,поливиниловый спирт, метилцеллюлоза, полистирол).
Среди всех полимерныхпленкообразующих матриц наиболее удобной и надежной является матрица изметилцеллюлозы (Мц), использующаяся с водной дисперсией белка принанесении на плоские подложки с последующим высушиванием. Более сложныепроблемы, связанные с однородностью материала в объеме и на поверхности,30возникали при полимеризации акриламидного геля с включенным БР, используябис-акриламидвкачествесшивающегоагента.Найденыоптимальныесоотношения компонентов инициирующей системы и сшивки, позволяющиепроводить полимеризацию в течение 5-10 минут с образованием относительно«толстых» (до 1 мм) прозрачных полимерных пленок с достаточно ровнойповерхностью, что очень важно при оптических исследованиях. Испытания всехполученных ФХМ на основе ПМ продемонстрировали их хорошие фотохромныесвойства.17 В целом, данные ФХМ имеют следующие параметры: высокуючувствительность (вплоть до 10-3 Дж•см-2) и цикличность (>104 циклов запись —стирание), узкие и неперекрывающиеся области поглощения исходной ифотоиндуцированной форм (570 и 412 нм), высокую разрешающую способность(>103 линий на мм) [3].
Указанные характеристики полимерных ФХМ с ПМ неуступают характеристикам известных фотохромных материалов на основесинтетических органических соединений, например, на основе спиропиранов илитиоиндигоидных красителей, а по ряду параметров и превосходят их. Одним изнаиболее ценных свойств полученных ФХМ является возможность регулированиявремени жизни промежуточного возбужденного состояния БР, а, следовательно, ивремени хранения оптической информации на таком материале. Этот параметрможно регулировать в широких пределах (изменяя его почти на четыре порядка)как подбором соответствующей полимерной матрицы, так и введениемспециальныхполимерныхмодифицирующихдобавок.ДляБРвремя«полуперехода» (Т 1/2 ) из возбужденного состояния (с максимумом поглощенияпри 412 нм) в основное невозбужденное состояние (с максимумом поглощенияпри 570 нм) составляет в суспензии порядка 40 мс, а в полимерных пленках,например, на основе акриламида — 0.5-1.0 с, т.е.
в 10-20 раз больше. Необходимоотметить, что присутствие в полимере сшивки (бис-акриламида) в количестве0.1% практически не меняет величину Т 1/2 , а введение сшивки в количестве 0.51.0% меняет ее несущественно (3 и 5 с, соответственно). Использование вкачестве полимерной матрицы Мц (ММ = 56000, со степенью замещения 1.9)позволило увеличить Т 1/2 , до 70-100 с, то есть почти в 2•103 раз больше по31сравнениюсаналогичнымивременамивсуспензии.Введениерядапластифицирующих добавок типа глицерина в Мц приводит к уменьшению Т 1/2 , апри использовании полиэтиленгликоля и полиэтиленимина времена жизнипромежуточных форм фотохромного цикла БР увеличиваются.17 Одним изнаиболее перспективных направлений применения таких полимерных пленок наосновеБРявляетсяихиспользованиевфоторефрактивныхэлементахголографических систем [94].Авторами [22] показано, что при включении ПМ в полимерные матрицытипа поливинилового спирта (ПМ-ПВС) степень его ориентации достаточновысокаисравнимастаковойдляпленок,полученныхметодомэлектрофоретического осаждения.
В данной работе [22] авторы получили обатипа пленок и напрямую сравнили их по величинам фотоэлектрических сигналов,которые оказались достаточно сходными — порядка 300 мВ при оптическойплотности пленок 0.13. Это достаточно большая величина, которая практическисоответствует таковой для пленок, полученных ЛБ-методом, если нормировать еена число молекул БР в конкретной пленке [22]. Более того, при сравнениивеличин нормированного сигнала генерации второй гармоники в таких пленкахобнаружено, что указанный сигнал выше в пленках ПМ-ПВС, чем в пленках ПМ,полученных электрофоретическим осаждением.
Авторы [22] объясняют этотнеобычный факт образованием неоднородностей в пленках ПМ, полученныхэлектрофоретическим осаждением, при их высушивании, что существенноухудшает их оптические свойства. По нашему мнению, для качественной работыпленокПМ,полученныхэлектрофоретическимосаждением,требуетсяподдерживать постоянную влажность в районе 50-70%. Кроме того, найденныеавторами [22] значения нелинейной восприимчивости для пленок ПМ-ПВСсоставляют: 4.7×10-10 отн.ед. для исходной формы БР (570 нм) и 5.0×10-11 отн.ед.для М-формы (412 нм), т.е. этот параметр в 10 раз уменьшается послефотоактивации пленки ПМ-ПВС, что дает возможность использовать сигналгенерации второй гармоники для считывания изображений, записанных на такихпленках, без их стирания.
Поскольку значения нелинейной восприимчивости32пропорциональны оптической плотности и толщине пленки, то авторы [22]считают, что эти значения несложно будет увеличить в несколько раз присущественномуменьшениитолщиныпленки(смикроновдодесятковнанометров) и сохранении той же оптической плотности материала.В работах [51, 52] была описана гибридная система ориентированных ПМна проводящем полимерном субстрате, где окисленное состояние полимераконтролирует протонный градиент БР.
В качестве проводящего полимерногосубстратадлягибриднойсистемыиспользоваласьсмесьполи(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфонат) (ПЭДОТ:ПСС), которая наносиласьна электрод ITO; толщина полимерного слоя составила ~200 нм. Поверх системыITO/ПЭДОТ:ПСС на расстоянии 0.5 мм помещалась стеклянная подложка,покрытая золотом, затем на полимерную систему наносилась дисперсия ПМ (10мг•мл-1, рН 6.8), которую высушивали под внешним напряжением (0.1-10.0 В)[51].
После высушивания толщина слоя ПМ составила ~500 нм и на слой ПМнаносили алюминиевый электрод. При облучении полученной гибриднойсистемы ITO/ПЭДОТ:ПСС/Al светом с длиной волны 532 нм регистрировалсяфотоэлектрический ответ около 1.5 нА [52].Таким образом, для всех указанных перспективных приложений (областейприменения материалов на основе ПМ) актуальной задачей является получениеультратонких ориентированных пленок ПМ. На основании сравнения способовполучения тонких пленок ПМ и их структурно-функциональных характеристикможно сделать вывод, что однородность и степень ориентации ПМ в такихпленках зависит от способа их получения, возрастая в ряду: СА (самосборка) <Ленгмюр-Блоджетт < электрофоретическая седиментация1.2 Гибридные нано-биоматериалы на основе пурпурных мембранОдним из наиболее перспективных подходов в настоящее время являетсясоздание гибридных систем из нескольких функционально и структурновзаимосвязанных наноразмерных компонентов.
Однако из-за отсутствия четких33критериев разные авторы часто понимают под одними и теми же гибридныминано-биоструктурами различные типы систем. По нашему мнению, примераминаиболее перспективных гибридных нано-биосистем могут служить «ассоциаты»молекулфоточувствительныхфизическимиилимембранныххимическимибелковметодами)с(иммобилизованныхполупроводниковыминанокристаллами типа квантовых точек (КТ), обладающими рядом уникальныхфизико-химическими свойствами [1, 5, 8, 30, 39, 51, 53, 69]. КТ имеют оченьширокую полосу поглощения, излучая в узком спектральном диапазоне сполушириной полосы испускания около 30 нм, и в 100-4000 раз фотостабильнейлучших органических флуорофоров.
Положение полосы флуоресценции КТзависитотразмерананокристаллов,чтопозволяетсинтезироватьКТ,флуоресцирующие заданным цветом. Квантовый выход КТ может превышать70%, а сечение поглощения более чем в 100 раз превышает сечение поглощенияорганических флуорофоров. Совмещение этих уникальных свойств позволяетреализовать качественно новые материалы на основе гибридных наноструктур КТс БР или ПМ.Фоточувствительные белки, включая БР, способны использовать только 0.10.5% энергии света в видимом диапазоне. Поглощение УФ-фотонов можетпривести к деструкции хромофора, белка и клетки в целом.
Подход, основанныйна включении КТ в качестве своеобразных «антенн-конвертеров» (типафотосистем растений), позволяет использовать свет, который не был бы поглощенБР (от глубокого УФ до синей области оптического спектра), преобразовать этуэнергию в фотоны с длинами волн, которые могут поглощаться БР, эффективнопередать эту энергию БР в режиме ФРПЭ (ферстеровский резонансный переносэнергии) и использовать эту энергию для улучшения его биологической функции.Использование БР особенно удобно еще и потому, что в этом белке хромофор(ретиналь) расположен на расстоянии приблизительно 2.5 нм [16, 40, 44, 46, 61,79, 90] от обоих поверхностей пурпурной мембраны (Рис. 1.9а) [69]. Эторасстояние намного меньше среднего ферстеровского радиуса (порядка 5 нм),определенного для многих систем с переносом энергии в режиме ФРПЭ [18, 26,3430, 39, 49, 69].
Кроме того, специально подобранные в работе [69] КТ имеютширокую область абсорбции, которая хорошо перекрывается с абсорбцией БР вобласти 400-600 нм, причем интенсивность абсорбции КТ в несколько разпревышает таковую для БР в области 450-600 нм и почти на порядок — при 400нм(Рис.1.9б).Такимобразом,создаютсяспектральныеусловиядляэффективного переноса энергии от донора (КТ) при его фотоактивации какцептору (БР).Рисунок 1.9 - Структурная организация гибридного материала квантовыеточки/пурпурные мембраны (КТ/ПМ) и оптические свойства бактериородопсина(БР) и КТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
